Microalgas en la biorremediación de las aguas residuales urbanas e industriales y producción de biocombustibles

Abstract

Esta Tesis Doctoral se ha llevado a cabo en los laboratorios del Área de Ingeniería Química del Departamento de Biología Molecular e Ingeniería Bioquímica, de la Universidad Pablo de Olavide de Sevilla. Este trabajo de investigación ha estudiado la posibilidad de revalorización/biorremediación de aguas residuales urbanas que actualmente se tratan en las Estaciones de Depuración de Aguas Residuales (EDARS) mediante la introducción de los cultivos de microalgas con el fin de diseñar procesos híbridos y transformar las EDARs en centrales de producción de energía y otros productos de interés comercial. Por otra parte, estudiar la revalorización/biorremediación de las aguas residuales de las almazaras mediante procesos combinados basados en tratamiento fisicoquímico y cultivos de microalgas. Además, de estudiar el posible mezclado de las aguas residuales urbanas con las de almazaras y su tratamiento conjunto. Para la realización de las tareas de investigación indicadas previamente, se han tomados aguas residuales de diferentes puntos de la línea de agua de la EDAR. En la primera publicación, se utilizaron aguas residuales urbanas procedentes de tratamiento primario como medio de cultivo para el crecimiento de Chlorella vulgaris. El valor de pH de los medios de cultivos se varió entre 5 y 9, y las condiciones de operación comunes fueron velocidad de agitación = 200 rpm, temperatura = 25°C, suministro de aire 0,5 L/min, luz artificial continua con una intensidad de iluminación igual a 359 ¿E/(m2 s). Los resultados experimentales del cultivo a pH = 9 mostraron los siguientes valores de la velocidad específica máxima de crecimiento (0,0324 h-1), la productividad volumétrica en biomasa igual a 7,51 mg/(L h), %BOD5,elimnada (92,1%), %COD eliminada (63,5%), %eliminación total de nitrógeno (94%) y %carbono orgánico total eliminado (48,3%). La composición bioquímica de la biomasa algal cosechada en el mismo cultivo ha determinado los siguientes porcentajes: %pigmentos totales (clorofilas y carotenoides) = 0,37%, %carbohidratos = 14,1%, %proteínas = 79,8% y %lípidos = 6,16%. En la segunda publicación, ya que no existe un tratamiento terciario en la mayoría de las EDARs, se ha cultivado Chlorella vulgaris en aguas residuales urbanas procedentes de tratamiento secundario (sin dilución). En este sentido, se ha estudiado el efecto de la temperatura (10 °C, 20 °C, 25 °C, 30 °C, 35 °C, 40 °C y 50 °C). Las condiciones de funcionamiento comunes utilizadas fueron: pH del medio de cultivo = 9, agitación mecánica = 200 rpm, velocidad de suministro de aire = 0,5 L/min e intensidad de iluminación artificial continua = 359 ¿E m-2 s-1. Todos los experimentos, se han llevado a cabo en fotobiorreactores agitados de 1 L de capacidad. Los resultados experimentales han mostrado que los parámetros cinéticos de crecimiento: velocidad específica máxima de crecimiento (0,0489 h-1) y productividad volumétrica de biomasa (0,00867 g/(L h)). Estos valores se han determinado en los cultivos a 35 ºC y 20 ºC, respectivamente. La calidad del agua residual tratada se valoró en términos de porcentaje de eliminación de la demanda química de oxígeno (77,6% a 25 ºC de cultivo) y porcentaje de eliminación de nitrógeno total (88,0% a 20 ºC de cultivo). Las mayores concentraciones de biomasa neta obtenida al final de los cultivos (x-xo = 1,44±0,170 g/L) se registraron en los cultivos que han operado a temperaturas comprendidas entre 20 ºC y 30 ºC. El porcentaje total de lípidos en la biomasa de microalgas obtenida fue de 8,8±1,8 % en los cultivos que han operado en el rango de 20 ºC a 40 ºC. El porcentaje máximo de eliminación de dióxido de carbono fue del 47,5% y se ha determinado en los cultivos con temperaturas en el rango de 30 ºC a 35 ºC. En la tercera publicación, considerando que, en las EDARs tras el espesamiento del fango secundario, se genera una corriente de agua residual que normalmente se recircula a la cabecera de la planta para su tratamiento de nuevo, y para evitar este hecho, se ha optado por utilizar esa agua residual del espesador secundario como medio de cultivo para el crecimiento de Chlorella vulgaris, Neochloris oleoabundans y Scenedesmus quadricauda. Estas microalgas tienen capacidad para eliminar materias orgánicas e inorgánicas, sobre todo, en aguas residuales ricas en compuestos nitrogenados y fosfatados. Los experimentos se han llevado a cabo en fotobiorreactores agitados de 1 L de capacidad bajo las siguientes condiciones comunes de operación pH 8, agitación mecánica = 200 rpm, velocidad de suministro de aire = 0,5 L/min, intensidad de iluminación artificial continua = 359 ¿E/(m2 s), y condiciones naturales sin esterilización de los medios de cultivos. La biomasa neta generada para C. vulgaris, N. oleoabundans y S. quadricauda fue de 1,89 g/L, 2,73 g/L y 2,52 g/L, respectivamente. El estudio cinético del crecimiento mostró una velocidad específica máxima de crecimiento, una productividad volumétrica de la biomasa y una duración del cultivo máxima para C. vulgaris (0,0128 h-1, 0,00583 g/(L h), y 429 h), para N. oleoabundans (0,0151 h-1, 0,00456 g/(L h), y 429 h), y para S. quadricauda (0,0146 h-1 y 0,007362 g/(L h), y 509 h). La composición bioquímica de las microalgas ha determinado una biomasa rica en compuestos energéticos (contenido en carbohidratos y lípidos) entre el 70,9 % y el 86,8 %, con menores contenidos en proteínas y lípidos entre el 9,17 % y el 11,5 % y el 6,29 % y el 13,9 %, respectivamente. La calidad final del agua registró una demanda química de oxígeno (DQO) inferior a 157 mg O2/L. El agua tratada final puede verterse directamente o utilizarse para el riego. La cuarta publicación, se ha tratado de aprovechar el digestato, líquido digerido generado tras la digestión anaerobia, como medio de cultivo para el crecimiento de la microalga verde Chlorella vulgaris. De hecho, se han preparado diferentes medios de cultivo a distintas concentraciones de este efluente con agua del grifo (5%, 10%, 25%, 35% y 50%, v/v). Los experimentos se realizaron en fotobiorreactores agitados en modo discontinuo con capacidad de 1 L. Las condiciones de operación comunes utilizadas fueron pH del medio de cultivo = 8, agitación mecánica = 200 rpm, velocidad de suministro de aire = 0,5 L/min y luz artificial continua a una intensidad de iluminación = 359 ¿E/(m2 s). Los resultados experimentales han mostrado que los parámetros cinéticos de crecimiento: velocidad específica máxima de crecimiento (0,0204 h-1) y productividad volumétrica en biomasa (0,00860 g/(L h)) valores que se han determinado en un cultivo al 25% (v/v) de digestato (fracción líquida). La calidad del agua residual tratada en términos de porcentaje de eliminación de la demanda química de oxígeno (26,6%) y del porcentaje de eliminación de nitrógeno total (94,7%) se han determinado en los cultivos con 50% y 10% de digestato (v/v). La concentración más alta de biomasa cosechada neta al final de los cultivos (x-xo = 2.54±0.0155 g/L) se ha registrado en el cultivo con el 25% de digestato (v/v). El porcentaje total de lípidos 13,1% se ha determinado en la biomasa microalgal obtenida en el cultivo con el 25% de digestato (v/v) y en el mismo cultivo se registró el mayor porcentaje de eliminación de dióxido de carbono 72,2%. La quinta publicación, es una continuación de la primera publicación, pero en una versión extendida, incluyendo más datos y resultados de la investigación realizada y que no se han incluido en la primera. En este trabajo, se utilizaron aguas residuales urbanas primarias reales como medio de cultivo para el crecimiento de Chlorella vulgaris. Los experimentos se llevaron a cabo en fotobiorreactores discontinuos a escala de laboratorio. Para determinar los niveles máximos de eliminación de nutrientes y el valor óptimo de pH para el crecimiento de C. vulgaris, se estudiaron los siguientes valores de pH: 5, 6, 7, 8, 9, 10 y 11. Además, se realizaron dos experimentos de control utilizando aguas residuales procedentes del tratamiento primario (sin inoculación de microalgas) y agua del grifo en las mismas condiciones de operación. Las condiciones operativas fueron velocidad de agitación = 200 rpm, T = 25 °C, velocidad de aireación = 0,5 L/min, y luz continua con intensidad de iluminación = 359 ¿E/(m2 s). Se obtuvo un crecimiento significativamente mayor a pH = 7. El uso directo de C. vulgaris para el tratamiento de aguas residuales del decantador primario demostró altos porcentajes de eliminación de compuestos orgánicos (eliminación de DQO y DBO5 = 63,4% y 92,3%, respectivamente) e inorgánicos (eliminación de carbono inorgánico = 99,6%). La biomasa final se caracterizó por una acumulación de compuestos altamente energéticos, principalmente carbohidratos, que oscilaron entre el 63,3% (pH = 5) y el 82,8% (pH = 11) y representan una fuente de biocombustibles. Estos nuevos logros abren la posibilidad de nuevos horizontes en el tratamiento de aguas residuales urbanas. La sexta publicación, se ha presentado un nuevo bioproceso para el tratamiento de aguas residuales de almazaras. El bioproceso se diseñó con las siguientes operaciones, floculación-sedimentación, fotólisis por luz ultravioleta artificial y con la utilización de cultivos de Chlorella vulgaris, Neochloris oleoabundans y Scenedesmus quadricauda. Se aplicó el floculante comercial FlocuDex CS-51 a 12 mg/L durante 150 min, se realizó fotólisis artificial, en un fotobiorreactor de 1 L de capacidad, durante 30 min y se cultivó C. vulgaris en aguas residuales de almazaras al 50% (v/v) con las siguientes condiciones de operación: velocidad de agitación = 200 rpm, temperatura 25 ºC, velocidad de aireación 0,5 L/min, y luz artificial continua a 359 ¿E/(cm2 s). Los resultados experimentales de floculación-sedimentación y fotólisis artificial muestran que los porcentajes de eliminación en términos de la demanda química de oxígeno, carbono orgánico total, nitrógeno total y compuestos fenólicos totales fueron (11,3% y 47,4%), (9,8% y 3,4%), (26,0% y 2,4%) y (22,3% y 17,1%), respectivamente. En el caso del cultivo de Chlorella vulgaris, la velocidad específica máxima de crecimiento y la productividad en biomasa fueron de 0,00807 h-1 y 0,00134 g/(L h), respectivamente. La composición bioquímica de la biomasa cosechada determinó un 25,9% (p/p) de proteínas, un 57,5% (p/p) de carbohidratos, un 14,6% (p/p) de lípidos totales y un 0,58% (p/p) de pigmentos totales. La calidad final del agua tratada permite su uso en agricultura para riego/fertirrigación.